TERMET

EN PL

Galeria Mistrzów

Nasi Mistrzowie

W Galerii Mistrzów prezentujemy laureatów konkursów związanych z tematyką projektu TERMET.


który otrzymał wyróżnienie w konkursie "Wiedzy o materiałach dla uczniów szkół średnich w 2011/2012 r. Poniżej przestawiamy jego pracę na temat diamentu.

Paweł Zajglicz


 Diament

  W wielu współczesnych urządzeniach np. komputerach wytwarza się duża ilość ciepła, która zakłóca ich pracę. Ciepło to musi być odprowadzone, do czego stosuje się takie materiały, jak miedź i aluminium. Na Wydziale Inżynierii Materiałowej realizowany jest projekt TERMET, którego celem jest opracowanie nowych materiałów o podwyższonym przewodnictwie cieplnym. Między innymi badany jest materiał kompozytowy na bazie miedzi i diamentu. Uzasadnij wybór diamentu jako składnika tego kompozytu w kontekście jego właściwości. Czy diament posiada jakieś właściwości, które utrudniają wytworzenie tego kompozytu? Wymień i opisz przynajmniej jedną cechę.

             Diament posiada wysokie przewodnictwo cieplne, o  od 1,8 do 6,6 razy większej od węglików, dzięki czemu możliwe jest szybsze usuwanie ciepła. Jest także najtwardszym minerałem na ziemi, wytworzony kompozyt może być więc wyjątkowo wytrzymały. Twardość ta wynosi 10000 kg/mm2. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi >1.2 GPa, na ściskanie > 110 GPa , gęstość 3,515g/cm3, moduł Younga 1,02 GPa, współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,8*10-6K, przenikalność dielektryczna 5,41, pole przebicia 10 GV/cm. Jest odporny na korozję oraz biologicznie kompatybilny.  Przewodzi ciepło sześciokrotnie skuteczniej niż miedź, więc wpływ diamentu na pracę kompozytu będzie istotny. W porównaniu z dotychczasowo używanymi materiałami będzie widoczny znaczny wzrost wydajności. Charakteryzuje się bardzo małym współczynnikiem tarcia, w wyniku tego przy właściwym użytkowaniu czas eksploatacji urządzeń opartych na tym kompozycie będzie górował nad pozostałymi. Posiada najmniejszy współczynnik rozszerzalności termicznej, co znacznie ułatwia wykorzystanie w procesach nanotechnologicznych. Jest także chemicznie obojętny, co pozwala bezproblemowo wspomagać proces chłodzenia cieczą. Diament jest izolatorem elektrycznym, a jednocześnie bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. W przeciwieństwie więc do miedzi nie powinien wpływać na pracę elektroniki i elektryki zawartej w chłodzonych urządzeniach. Diament cechuje się efektywnym przewodnictwem fononowym, co daje dobrą przewodność cieplną rzędu 2000 W/m*K. Silne więzy i węglowa kompozycja diamentu odpycha wodę, co pozwoli uniknięcie niepożądanej korozji miedzi. Jego doskonała łupliwość może być korzystna przy procesie produkcji.

 Cechy diamentu utrudniające wytworzenie tego kompozytu: 

 

             Jedną z właściwości diamentu utrudniającą wytworzenie i użytkowanie tego kompozytu są wrostki innych materiałów. Występują one zarówno w diamentach naturalnych, jak i sztucznych. W naturalnych najczęściej występującymi wrostkami są: oliwin, granat, pirop, pirotyn, ilmenit, rutyl, grafit, diopsyd, spinel oraz wcześniej wykrystalizowane diamenty. Powstają one na skutek wielowiekowych, naturalnych procesów fizycznych. Diamenty sztuczne najczęściej zawierają drobiny niklu, żelaza, kobaltu, chromu, magnezu, tantalu, niobu, manganu, glinu, azotu i tytanu.

            Występowanie w diamencie tych pierwiastków i związków może mieć znaczny negatywny wpływ na ich właściwości fizyczne i chemiczne. Jedną z nich jest magnetyczność w diamentach sztucznych wywołana przez znajdujące się w nim metale. Zbyt duże ilości odprowadzanego ciepła mogą niefortunnie wpłynąć na istniejące w nim wrostki, niektóre mogą się spalić, obniżyć efektywność działania kompozytu. Niektóre zanieczyszczenie mogą doprowadzać do niezamierzonych reakcji chemicznych, co może doprowadzić do powstawania osadów, zanieczyszczeń oraz nieefektywnej pracy kompozytu. Aktywność chemiczna tych substancji może mieć również ujemny wpływ na miedź reagując z nią i tworzyć niepożądane związki chemiczne. Wrostki te mogą być izolatorami cieplnymi, przez co zmniejszałyby wydajność tego materiału.

            Innymi właściwościami, które mogą utrudnić wytworzenie tego kompozytu są duża twardość i kruchość. Cechy te mogą znacznie utrudnić przetworzenie tego materiału, przez co proces produkcyjny będzie bardziej skomplikowany. Wynikiem tego może być dość wysoka cena kompozytu, co zmniejszy dostępność tego materiału.

 Porównanie własności miedzi i diamentu

Cecha:

Jednostka:

Miedź

Diament

Gęstość

g/cm3

8,96

3,52

Temperatura   topnienia

°C

1083

3540

Twardość w   skali Mohsa

 

3

10

Dostępność

 

dobra

kiepska

Cena

 

przystępna

wysoka

Przewodność   cieplna

W/m*K

395

2000

Własność   elektryczna

 

przewodnik

izolator

Własność   magnetyczna

 

paramagnetyk

 

Korozja

 

podatna

odporny

Masa atomowa

u

63,55

12,01

Wytrzymałość na   rozciąganie

MPa

200-250

1200

Moduł Younga   (E)

GPa

100–115

1 050–1 200

Współczynnik   rozszerzalności cieplnej

*10-6K

5,2

0,8

Konfiguracja   elektronowa

 

[Ar]3d104s1

[He]2s22p2

Elektroujemność

skali Paulinga

1,90

2,55

Konduktywność

S/m

59,6×106

6,1×104

Ciepło właściwe

J/(kg*K)

380

420

             Podsumowując, dzięki właściwościom fizycznym i chemicznym diamentu wytworzony kompozyt może posiadać cechy, które uczynią go znacznie lepszym przewodnikiem ciepła niż miedź, czy aluminium, jednakże ze względu na niektóre cechy fizyczne diamentu proces technologiczny będzie utrudniony, co może efektować niską dostępnością materiału.

 

Źródła:

  1. „Diament”  Lucyna Jaworska
  2. dicholding.com
  3. wikipedia.pl
  4. cleardiamond.pl
  5. ptgem.pl
  6. e-numizmatyka.pl
  7. mif.pg.gda.pl
Innowacyjna gospodarka Unia Europejska